侯曉蓓， 肖建中， 夏 風， 張 琪

（1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093；2.上海醫(yī)療器械高等?？茖W校醫(yī)療器械工程系，上海 200093；3.華中科技大學材料科學與工程學院，武漢 430074）

在陶瓷粉末成型工藝中，要求陶瓷粉體具有較好的分散性，如注射、熱壓鑄以及流延等成型工藝均要求陶瓷粉體均勻分散于粘結(jié)劑體系中［1］.粉體顆粒在液體介質(zhì)中的分散程度取決于顆粒特性以及固體—分散劑界面吸附行為的化學（如表面雜質(zhì)）和物理特性（如顆粒的大小、形狀、表面能等）［2］.一般陶瓷粉體顆粒之間存在較強的相互作用力，團聚現(xiàn)象嚴重，粉體的分散性較差，粒徑分布不均勻.陶瓷粉體中團聚顆粒的存在降低了粉體的堆積效率，使陶瓷產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生宏觀缺陷和不必要的顯微組織缺陷，從而降低了陶瓷產(chǎn)品的性能［3－4］.此外，陶瓷粉末顆粒表面具有較高的表面極性，不能很好地溶于有機溶劑中，影響了粉體的成型性能.因此，需要對粉體進行處理以得到適合成型工藝的陶瓷粉末［5－6］.

本文通過加入硬脂酸對氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）粉體進行球磨處理，改變硬脂酸的添加量來研究其對粉體性能的影響，分析了粉體粒徑和流動性的變化，采用紅外光譜分析了硬脂酸對粉體表面改性的機理.

1 實 驗

1.1 ZTA陶瓷粉體的制備

實驗以ZrO2（Y2O3的摩爾分數(shù)為3%）和α－Al2O3以及少量MgO為原料，其中3Y－ZrO2粉體平均粒徑約為0.31μm；α－Al2O3純度為99.7%，平均粒徑約1.0μm.采用機械混合法制備復合粉體，經(jīng)1 200℃煅燒后得到ZTA陶瓷粉體.

1.2 粉體的改性處理

將制得的ZTA復合粉體添加于含有硬脂酸（CH3（CH2）16COOH）的酒精溶液中，球磨混合，硬脂酸的含量分別為粉體質(zhì)量的0%，1%，2%，3%，4%，混合過程是在QM－ISP4行星式球磨機中進行，球磨時間為48h.

1.3 粉體性能測試

陶瓷粉體的粒度分析采用日本SHI－MADZU SA－CPS3型離心粒度分析儀測量.將粉體置于無水乙醇中，超聲波分散10min，然后進行粒度測量.粉體形貌的觀察采用JSM－5510LV型掃描電鏡.所用粉末樣品的準備方法為：將粉體置于酒精中并用超聲波分散5min，然后將懸浮液滴加在導電膠片上，干燥后噴金.采用自制休止角測定儀器測定休止角，結(jié)合其大小來表征粉體的流動性.根據(jù)相似相容原理來判斷粉體的極性，分別將粉體加入到酒精、水、石蠟溶液中，根據(jù)粉體在液體中的狀態(tài)來判斷粉體的極性.采用VERTEX70FT－IR光譜儀確定化學結(jié)構(gòu)，用KBr壓片法制樣.

2 結(jié) 果

2.1 粉體中徑隨硬脂酸加入量的變化

圖1為不同硬脂酸添加量對粉體中徑的影響，原始的ZTA粉末的中徑為4.45μm.圖1中曲線1為不同硬脂酸含量球磨處理后粉體的中徑大小，由圖中可以看出，添加硬脂酸球磨處理后的粉體相對于未添加硬脂酸球磨的粉體粒徑均有不同程度的減小，未添加硬脂酸球磨的粉體中徑約為3μm，當硬脂酸添加量在1%～3%之間時，粉體顆粒粒徑均有較明顯的減小，繼續(xù)增加硬脂酸含量至4%時，顆粒中徑反而有所增大.

圖1中曲線2為上述改性處理后的粉體在400℃下烘燒后的中徑大小，中徑測試發(fā)現(xiàn)硬脂酸含量為2%～4%時，粉體的中徑均有所減小，中徑大小基本相同.

圖1 硬脂酸含量對粉體顆粒中徑的影響Fig.1 Effect of stearic acid on the median diameter

2.2 粉體形貌觀察

圖2為硬脂酸添加量為0%時用掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝的ZTA復合粉體顯微形貌，可以看出，粉體中具有較為嚴重的團聚現(xiàn)象，并且顆粒分布不均勻，存在較大的顆粒.圖3為添加硬脂酸球磨處理后的粉體顯微形貌，可以看出經(jīng)過硬脂酸球磨處理后的粉體顆粒分布比較均勻，分散性較好，有效改善了粉體的團聚現(xiàn)象.

圖2 未添加硬脂酸的ZTA粉末的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of ZTA powder without stearic acid

2.3 粉體的流動性

在本實驗中，選用休止角來表征粉體的流動性，休止角越小表示流動性越好［7］.如表1所示，不同硬脂酸含量粉體的休止角不同，但是相對于經(jīng)硬脂酸改性之前均有不同程度的降低.可以看出，當粉體表面吸附了硬脂酸后，粉體間的相互作用力降低，流動性提高.不同的添加量對其流動性有不同程度的影響，從表1中可以看出當硬脂酸的添加量在3%時粉體具有較好的流動性.

圖3 硬脂酸（3%）改性后的ZTA粉末的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of ZTA powder modified by stearic acid

表1 ZTA粉體的休止角及休止角的變化Tab.1 Angle of repose and angle reduction of ZTA powder

2.4 粉體極性的變化

未經(jīng)過硬脂酸改性的ZTA復合粉體能夠穩(wěn)定懸浮于水中，但是很難懸浮于非極性液體如石蠟溶液中，因此可以說明ZTA粉體為極性粉體.經(jīng)過硬脂酸表面改性后，粉體能夠較好地懸浮于酒精、石蠟等非極性溶液中，但是不能夠懸浮于水中.根據(jù)相似相容性原理可以知道經(jīng)過硬脂酸表面處理后，由于ZTA粉體表面吸附了一層有機分子膜而使粉體由極性變成了非極性.

2.5 粉體的紅外光譜分析

圖4中曲線SA代表硬脂酸的紅外光譜（FTIR）圖，可以看出，在3 000cm－1附近有一個較寬的O—H伸縮振動吸收峰與2 920cm－1附近的甲基C—H對稱伸縮振動和亞甲基C—H不對稱伸縮振動吸收峰以及2 850cm－1處的亞甲基C—H對稱伸縮振動峰相重疊.在波數(shù)為1 704cm－1附近出現(xiàn)了硬脂酸中游離羧基（—COOH）中的C＝O特征吸收峰.波數(shù)1 468cm－1處為亞甲基中C—H的吸收峰.

曲線1為原始ZTA粉體的紅外光譜圖.在波數(shù)為3 500cm－1處有一個較寬的O—H的振動譜帶.在1 641cm－1處有一個較寬且比較弱的吸收峰，是O—H的彎曲振動譜帶，表明原始粉末中有結(jié)晶水存在.曲線2為經(jīng)硬脂酸（3%）表面處理過的ZTA粉體的FTIR圖譜，可以看出在3 200～3 550cm－1范圍有較寬的吸收峰，為O—H伸縮振動.在波數(shù)為2 920cm－1附近存在的峰為甲基C—H對稱伸縮振動和亞甲基C—H不對稱伸縮振動.2 850cm－1處的吸收峰為亞甲基C—H對稱伸縮振動.在1 584cm－1和1 467cm－1出現(xiàn)了新的吸收峰.

圖4 ZTA粉體和硬脂酸的FTIR譜圖Fig.4 FTIR spectrum of ZTA powder and stearic acid

3 討 論

圖4中曲線2為添加硬脂酸球磨處理后的紅外光譜，在波數(shù)為1 725～1 700cm－1處未出現(xiàn)C＝O特征吸收峰，說明硬脂酸中的游離羧基（—COOH）經(jīng)表面處理后不存在了.且曲線2在1 584cm－1和1 467cm－1出現(xiàn)了新的峰，而曲線1和曲線SA在此波數(shù)處均未出現(xiàn)過吸收峰，說明可能有新的基團產(chǎn)生.由圖4中的圖譜可以推斷出硬脂酸固有的游離羧基（—COOH）很有可能與粉體中的羥基（—OH）發(fā)生反應，生成了新的基團.復合粉體的表面可能發(fā)生如下反應：

由于上述反應的發(fā)生，使ZTA粉體表面吸附了一層有機分子鏈，粉體由極性變成了非極性，使粉體具有較好的分散性，流動性也隨之提高.

由圖1可以看出，添加硬脂酸使粉體的粒徑明顯減小，但是硬脂酸含量繼續(xù)增加時，粉體粒徑反而呈現(xiàn)增大趨勢.當添加硬脂酸對粉體進行球磨處理時，適量的硬脂酸能夠較好的吸附于粉體表面，起到了包覆作用，促進了粉體的分散與細化，其分散作用如圖5（a）所示.另一方面，當硬脂酸較多時，粉體的表面的硬脂酸會增加，反而促使了粉體之間的團聚，如圖5（b）所示.

圖5 ZTA粉體顆粒表面吸附硬脂酸示意圖Fig.5 Schematic illustration of ZTA powder surface coated with steric acid

為了證明是否因為硬脂酸的作用而促使粉體再次團聚，將硬脂酸處理后的粉體在400℃下烘燒，由于硬脂酸的沸點在380℃左右，烘燒后粉體中的硬脂酸將會揮發(fā).對烘燒后的粉體再次進行粒徑分析，分析結(jié)果如圖1中曲線2所示，發(fā)現(xiàn)硬脂酸含量為2%～4%粉體的粒徑基本相同.因此可以證實，粉體表面堆積的過量的硬脂酸使粉體發(fā)生了二次團聚，粉體粒徑增大.

4 結(jié) 論

通過在ZTA粉體中添加適量的硬脂酸并進行球磨，粉末顆粒粒徑有不同程度的減小，流動性有所改善，粉體顆粒分散性較好.粉體分散性得到改善的原因是硬脂酸中的羧基（—COOH）與粉體中的羥基（—OH）發(fā)生反應，使粉體由極性變成了非極性.

添加適量的硬脂酸對粉體進行表面改性處理使得粉體的團聚現(xiàn)象得到了明顯改善，粉體表面極性降低，較大程度上提高了粉體的成型性能.

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